基于FPGA的紅外圖像增強(qiáng)算法的實(shí)現(xiàn)

周培濤

摘要：根據(jù)紅外圖像的特點(diǎn)，提出了一種改進(jìn)的對比度增強(qiáng)算法，并采用FPGA進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像處理，來提高紅外圖像的成像質(zhì)量。對普通的對比度增強(qiáng)算法和改進(jìn)的對比度增強(qiáng)算法的處理效果進(jìn)行比較。改進(jìn)的對比度增強(qiáng)算法使處理后的圖像邊緣更加清晰，保護(hù)了圖像的細(xì)節(jié)，又有效地抑制了圖像的噪聲，提高了紅外圖像的視覺效果。

關(guān)鍵詞：圖像增強(qiáng);FPGA;信號處理，紅外圖像

0引言

紅外圖像具有高背景、低反差的特點(diǎn)，加之紅外焦平面陣列元響應(yīng)率的不一致、電荷傳輸效率、噪聲以及環(huán)境溫度變化等諸多因素造成的圖像的非均勻性，進(jìn)一步損害了圖像質(zhì)量，為了能夠增強(qiáng)視覺效果和準(zhǔn)確測量溫度信息，所以必須采取非均性校正、圖像增強(qiáng)等處理來改善圖像質(zhì)量，抑制圖像噪聲，增強(qiáng)圖像信息，抑制非均勻性。本文的主要目的是以紅外圖像特征為出發(fā)點(diǎn)，研究紅外圖像的增強(qiáng)處理方法，提出一種改進(jìn)的對比度增強(qiáng)算法，并采用FPGA硬件進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，同時(shí)和普通增強(qiáng)算法處理效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)比較。

1.??? 局部自適應(yīng)對比度增強(qiáng)算法

本文設(shè)計(jì)的局部自適應(yīng)對比度增強(qiáng)算法算法首先將圖像分成兩個(gè)部分。一是低頻部分，可以通過圖像的低通濾波（平滑）獲得。二是高頻成分，可以過原圖減去低頻獲取。然后高頻部分被放大（放大系數(shù)集即對比度增益GAIN）并加入到反銳化掩模中去，最后得到增強(qiáng)的圖像。此算法的核心就是如何計(jì)算GAIN。

圖像的低頻成分，一般可以通過計(jì)算以該像素為中心的局部區(qū)域的像素平均值來實(shí)現(xiàn)。我們假定x（i，j）是圖像中某點(diǎn)的灰度值，局部區(qū)域的定義為：以（i，j）為中心，窗口大小為（2n+1）*（2n+1）的區(qū)域，其中n為一個(gè)整數(shù)。當(dāng)然這個(gè)窗口區(qū)域也不一定就要是正方形。局部的平均值，也就是低頻部分，

σx（i，j）就是所謂的局部標(biāo)準(zhǔn)差。定義f（i，j）表示x（i，j）對應(yīng)的增強(qiáng)后的像素值。則自適應(yīng)對比度增強(qiáng)算法可以表示如下：

（5）

上式中，CV是個(gè)常數(shù)，這樣，GAIN是空間自適應(yīng)的，并且和局部均方差成反比，在圖像的邊緣或者其他變化劇烈的地方，局部均方差比較大，因此GAIN的值就比較小，這樣就不會產(chǎn)生振鈴效應(yīng)。然而，在平滑的區(qū)域，局部均方差就會很小，這樣GAIN的值比較大，從而引起了噪音的放大，所以需要對GAIN的最大值做一定的限制才能獲得更好的效果。

CV這個(gè)常數(shù)的取值可以用的圖像的全局均方差，并且增加一個(gè)參數(shù)Percent，用來再次控制高頻增強(qiáng)的程度。如果圖像的全局均方差和σx（i，j）和比值太大，就默認(rèn)為背景可以令Percent減小至0 從而達(dá)到背景噪聲不被增強(qiáng)。

f（i，j）=Ex（i，j）+Percent*GAIN[x（i，j）-Ex（i，j）]

（6）

在本方案中將取樣半徑n取值不大于64，增強(qiáng)程度不大于200%，對均值進(jìn)行模糊優(yōu)化，就是先行均值，再列均值的優(yōu)化方式。優(yōu)化后的算法執(zhí)行時(shí)間和n的沒有關(guān)系。

2???? 紅外圖像增強(qiáng)算法硬件實(shí)現(xiàn)總體設(shè)計(jì)方案

基于xilinx公司的FPGA的紅外圖像增強(qiáng)算法實(shí)現(xiàn)的總體設(shè)計(jì)方案如圖1 所示。整個(gè)系統(tǒng)由探測器偏壓配置電路、四路模擬信號預(yù)處理電路、AD轉(zhuǎn)換芯片、FPGA配置FLASH、Xilinx公司的FPGA芯片、DDR3存儲器、FLASH系數(shù)存儲、D/A及視頻合成等組成。

FPGA芯片是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，完成的主要功能是：FPGA主要完成探測器讀出時(shí)序控制，像元排序、非均勻校正時(shí)序邏輯部分、系數(shù)乘加、圖像增強(qiáng)等功能，內(nèi)部的軟核處理器根據(jù)外部CAN總線的通信指令進(jìn)行流程控制工作包含校正流程控制和校正系數(shù)計(jì)算。

紅外熱像儀輸出的視頻信號經(jīng)過集成視頻處理A/D之后，輸出14位數(shù)字信號和由FPGA進(jìn)行像元排序，非均勻校正，系數(shù)乘加，圖像增強(qiáng)。FPGA是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)本文提出圖像增強(qiáng)算法的核心部分;DDR3陣列用于存放圖像及算法的實(shí)現(xiàn);流程控制程序在FPGA內(nèi)部的軟核microblaze中運(yùn)行，再對紅外圖像進(jìn)行采集，校正、增強(qiáng)的過程中，圖l中的DDR3一直處于預(yù)充電、讀寫狀態(tài)，即在FPGA采集到紅外圖像數(shù)據(jù)后，對像元進(jìn)行排序，microblaze接收到CAN總線的校正指令后，控制FPGA的邏輯部分將圖像數(shù)據(jù)累加存放在DDR3中，完成幀累積，在FPGA內(nèi)部進(jìn)行校正系數(shù)計(jì)算，并通過邏輯部分控制將系數(shù)寫入DDR3，校正完成后再從DDR3中讀取系數(shù)用來將圖像數(shù)據(jù)乘增益加偏置，完成數(shù)據(jù)的更新，后將校正后的數(shù)據(jù)經(jīng)流水線控制和內(nèi)部的block ram將數(shù)據(jù)緩存并分區(qū)域計(jì)算局部均方差和局部均值，然后進(jìn)行自適應(yīng)增強(qiáng)處理，大約需20多級流水線處理，完成數(shù)據(jù)更新。其中控制邏輯以及DDR3的時(shí)序通過FPGA由VHDL語言編程實(shí)現(xiàn)。最后生成相關(guān)的視頻時(shí)序信號（經(jīng)過鎖相的像素時(shí)鐘、行同步、場同步以及奇偶信號等），經(jīng)D/A及視頻合成芯片合成模擬視頻信號輸出在監(jiān)視器上顯示出來。

3???? 紅外圖像增強(qiáng)效果與分析

圖2 為直接對比度增強(qiáng)與自適應(yīng)對比度增強(qiáng)算法的比較結(jié)果。由圖2可以看出，經(jīng)過普通對比度增強(qiáng)后的圖像邊緣被加強(qiáng)的程度比自適應(yīng)圖像對比度增強(qiáng)算法更大，但是原圖中的噪聲被明顯增強(qiáng)，由于紅外圖像的非均勻性被增強(qiáng)，造成圖像中出現(xiàn)了很多齒狀邊緣，過度增強(qiáng)的細(xì)小條紋，嚴(yán)重地影響圖像的和圖像中目標(biāo)的可識別性。而當(dāng)采用本文改進(jìn)的適應(yīng)算法進(jìn)行一些參數(shù)的調(diào)整時(shí)，就能獲得比較理想的增強(qiáng)效果。